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Die Erfindung betrifft ein Saugrohr für eine Brennkraftmaschine und eine ein solches Saugrohr umfassende Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen, insbesondere solche zum Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vielfach aufgeladen, um die spezifische Leistung zu erhöhen. Die Aufladung erfolgt dabei über einen Turbolader oder einen Kompressor, der die einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft verdichtet, d. h. deren spezifisches Volumen verringert. Durch diese Verdichtung der Verbrennungsluft wird die Möglichkeit geschaffen, eine größere Masse an Verbrennungsluft in die Brennräume des Verbrennungsmotors einzubringen, die dann mit einer entsprechend größeren Menge Kraftstoffs verbrannt werden kann.
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Die Verdichtung der Verbrennungsluft ist mit einer Erwärmung verbunden, durch die das spezifische Volumen erhöht wird. Diese Erwärmung würde somit zu einer schlechteren Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors führen und dadurch der durch die Aufladung angestrebten Erhöhung der spezifischen Leistung entgegenwirken. In der Regel ist daher vorhergesehen, dem Verdichter einen Ladeluftkühler nachzuschalten, in dem die verdichtete Luft gekühlt wird.
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In Abhängigkeit von der Temperatur und der Feuchtigkeit der als Verbrennungsluft angesaugten Umgebungsluft kann bei der Kühlung infolge der Absenkung der Sättigungskonzentration eine mehr oder weniger große Menge an Kondensat anfallen. Dieses Kondensat sammelt sich in der Regel an einer oder mehreren vertieften Stellen der Unterseite eines Gehäuses des Ladeluftkühlers und wird dort bei hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors mit entsprechend hoher Geschwindigkeit der Verbrennungsluft von der vorbeiströmenden Verbrennungsluft in Form von relativ großen Tröpfchen mitgerissen und den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt. Dies kann zu einer Verschlechterung der dort ablaufenden Verbrennungsprozesse führen und – bei einer zu hohen lokalen Feuchtigkeit – Zündaussetzer bewirken. Diese sollen vermieden werden.
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Es ist daher bekannt, in das Gehäuse des Ladeluftkühlers einen Auslass zu integrieren, über den das sich dort sammelnde Kondensat abgeführt werden kann. In einfachen Ausführungsformen handelt es sich dabei um eine Ablassbohrung, die über einen Schraubverschluss verschlossen ist und im Rahmen der Wartung des Kraftfahrzeugs zum Ablassen des Kondensats geöffnet wird. Diese Lösung ist aufgrund der sich stetig verlängernden Wartungsintervalle moderner Kraftfahrzeuge nicht mehr praxisgerecht.
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Es wurde daher eine Lösung vorgeschlagen (vgl.
DE 102 38 839 A1 ), bei der das sich in dem Ladeluftkühler sammelnde Kondensat kontinuierlich über eine Ablassleitung abgeführt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird. Bei der Einspritzung und bei der Durchströmung des Verdichters sowie des Ladeluftkühlers wird das Kondensat ausreichend zerstäubt und in dem Verbrennungsluftstrom so gleichmäßig verteilt, so dass es ohne relevante Auswirkungen auf den Verbrennungsprozess den Brennräumen zugeführt werden kann. Dass bei ungünstigen geometrischer Verhältnissen des Ansaugkrümmers einzelnen Zylindern eine zu große Menge Wasser zugeführt wird, ist darin nicht thematisiert. Ebenso wenig ist thematisiert, was passiert, wenn das rückgeführte, zerstäubte Kondensat im Ladeluftkühler erneut kondensiert und in großen Mengen beim Beschleunigen mitgerissen wird, bevor es abgesaugt werden konnte.
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Die aus der
DE 102 38 839 A1 bekannte Lösung ist mit einem nicht unerheblichen baulichen Aufwand und somit mit entsprechenden Kosten verbunden. Zudem löst diese nicht das Problem, dass in dem dem Ladeluftkühler nachfolgenden Abschnitt des Ansaugstrangs der Brennkraftmaschine ebenfalls – wenn auch regelmäßig eine deutlich geringere Menge – an Kondensat anfällt. Dies ist zum einen in einer weiteren Abkühlung der Verbrennungsluft über die Rohrwandung des Ansaugstrangs begründet. Zum anderen kommt es zusätzlich – insbesondere über einer vor dem Einlass in die Brennräume in den Ansaugstrang integrierten Drosselklappe – zu einem Druckabfall, durch den die Sättigungskonzentration weiter abfällt. Dieses Kondensat sammelt sich an tiefliegenden Stellen des Ansaugstrangs und wird dort von der durchströmenden Verbrennungsluft mitgerissen und vielfach ungleichförmig den verschiedenen Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Probleme, die sich durch das Anfallen von Kondensat in einem Ansaugstrang einer Brennkraftmaschine ergeben, auf möglichst kostengünstige Weise zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Saugrohr gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch eine ein solches Saugrohr aufweisende Brennkraftmaschine gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Saugrohrs bzw. der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, negative Auswirkungen, die sich durch einen Anfall von Kondensat in dem Ansaugstrang und die ungleichförmige Verteilung des wieder mitgerissenen Kondensats bei der Verbrennung in den Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine ergeben können, dadurch zu vermeiden, dass das Kondensat in einem Abschnitt des Ansaugstrangs, der vorzugsweise relativ kurz vor dem Einlass in die Brennräume liegt, durch Zerstäubung, d. h. durch eine Zerteilung in feinste Tröpfchen (Aerosol), möglichst gleichförmig in dem Verbrennungsluftstrom verteilt wird. Dadurch kann eine möglichst gleichförmige Verteilung des zerstäubten Kondensats auf die einzelnen Brennräume und dort auch über das gesamte Brennraumvolumen erreicht werden. Eine negative Beeinflussung der Verbrennungsprozesse infolge einer lokal zu großen Kondensatkonzentration kann somit vermieden werden. Auf aufwändige Systeme, mit denen das Kondensat aus dem Ansaugstrang abgeführt wird, kann verzichtet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Saugrohr für eine Brennkraftmaschine, die im übrigen zumindest noch einen Verbrennungsmotor sowie einen (das Saugrohr umfassenden) Ansaugstrang zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit zumindest Verbrennungsluft aufweist, ist demnach erfindungsgemäß durch Mittel zum Zerstäuben von dem sich in dem Saugrohr sammelnden Kondensat gekennzeichnet.
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Als „Saugrohr” wird dabei allgemein ein Abschnitt des Ansaugstrangs einer Brennkraftmaschine verstanden. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Abschnitt des Ansaugstrangs, der stromab einer Drosselklappe, zumindest jedoch stromab eines Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
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In einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine fällt das Kondensat im Wesentlichen an der Innenseite eines Gehäuses des Saugrohrs an. Dies ist zum einen darin begründet, dass das in Form von Tröpfchen anfallende Kondensat schwerkraftbedingt nach unten fällt bzw. fließt und sich dadurch in einem Abschnitt an der Innenseite des Gehäuses sammelt. Zum anderen stellt sich durch die Kühlwirkung des Gehäuses in den gehäusenahen Strömungsschichten der Verbrennungsluft eine relativ geringe Temperatur ein, die mit einer entsprechenden Absenkung der Sättigungskonzentration einhergeht. Vorzugsweise kann daher vorgesehen sein, die Mittel zum Zerstäuben in der Nähe oder direkt an der Innenseite des Gehäuses des Saugrohrs anzuordnen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugrohrs sieht vor, dass die Mittel zum Zerstäuben eine oder mehrere Zerstäubungsdüsen umfassen. Diese können kostengünstig in Form von einfachen Düsenöffnungen ausgeführt sein. Diese Düsenöffnungen bewirken einen Druckabfall der durch diese strömenden Verbrennungsluft (vermischt mit Kondensat). Durch diesen Druckabfall werden von der Verbrennungsluft mitgerissene Kondensattröpfchen zerstäubt und großflächig über das Innenvolumen des Saugrohrs verteilt.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, die Zerstäubungsdüsen in einen sich von der Innenseite des Gehäuses erstreckenden Fortsatz zu integrieren. Dieser Fortsatz kann vorteilhafterweise ringförmig ausgebildet sein. Der Fortsatz bewirkt eine Verringerung der lokalen Querschnittsfläche des Saugrohrs und dadurch – dem Venturi-Effekt entsprechend – eine lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft sowie eine lokale Verringerung des statischen Drucks. Diese Verringerung des statischen Drucks (in der Hauptströmung) der Verbrennungsluft verbessert den Transport des Kondensats durch die Zerstäubungsdüsen.
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Für einen besonders guten Venturi-Effekt kann vorgesehen sein, dass die Innenseite des ringförmigen Fortsatzes zudem noch eine Einschnürung ausbildet, durch die der statische Druck weiter abgesenkt werden kann. Die Einschnürung kann insbesondere dadurch ausgebildet sein, dass die Innenfläche des ringförmigen Fortsatzes konisch oder anders zulaufend ausgebildet ist.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Fortsatz bezüglich der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durch das Saugrohr eine Sackgasse ausbildet (Anders ausgedrückt bildet der Fortsatz in der Gegenströmungsrichtung durch das Saugrohr einen Hinterschnitt aus). Diese Sackgasse kann zum einen als Auffangrinne für das insbesondere an der Innenseite des Gehäuses anfallende bzw. sich dort sammelnde Kondensat dienen; zum anderen bewirkt dieses über den dort entstehenden Staudruck eine weiterhin vergrößerte Druckdifferenz über den Zerstäubungsdüsen mit einer entsprechend guten Zerstäubungswirkung für das Kondensat.
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Als vorteilhafte Anordnung für die Zerstäubungsdüsen hat sich gezeigt, wenn diese in einen im Wesentlichen parallel zu der Innenseite des Gehäuses verlaufenden Abschnitt des Fortsatzes integriert sind. Besonders bevorzugt sind die Zerstäubungsdüsen im Bereich der Einschnürung und insbesondere an der den engsten Querschnitt ausbildenden Stelle des ringförmigen Fortsatzes integriert. Als weiterhin vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Zerstäubungsdüsen (bzw. deren Austrittswinkel) zumindest teilweise in Richtung der Durchströmung durch das Saugrohr geneigt verlaufen.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Größe der Zerstäubungsdüsen und die Verteilung der Zerstäubungsdüsen über den Umfang des ringförmigen Fortsatzes gleichmäßig ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Größe (Durchmesser) der Zerstäubungsdüsen und/oder die Verteilung der Zerstäubungsdüsen über den Umfang des ringförmigen Fortsatzes ungleichförmig auszubilden. Dies kann insbesondere mit dem Ziel erfolgen, eine möglichst gleichförmige Verteilung des zerstäubten Kondensats auf die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors zu erreichen. Durch einfache Versuche kann ermittelt werden, welche Größe und Verteilung der Zerstäubungsdüsen für den jeweiligen Anwendungsfall gut geeignet ist.
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Eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung des zerstäubten Kondensats auf die Brennräume des Verbrennungsmotors kann gegebenenfalls durch die Anordnung von einer oder mehreren Schwell- bzw. Trennwänden zur Unterteilung des Innenvolumens des Saugrohrs erreicht werden, die stromab der Mittel zum Zerstäuben angeordnet sind. Die Schwell- bzw. Trennwände sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie die Strömung der Verbrennungsluft ab deren Beginn bis zum Einlass in die Brennräume kanalisieren, so dass diese keine (wesentliche) Vermischung der für die einzelnen Brennräume vorgesehenen Teilströmungen der Verbrennungsluft (mit dem darin enthaltenen Kondensat) mehr zulassen.
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Da eine in den Aussagstrang der Brennkraftmaschine integrierte Drosselklappe, die bei den meisten Brennkraftmaschine stromauf als letztes, einen wesentlichen Druckabfall bewirkendes Funktionsbauteil vor dem Einlass in die Brennräume vorgesehen ist, einen mehr oder weniger großen Druckabfall bewirkt, der wiederum zu einem erhöhten Anfall von Kondensat führen kann, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das die Mittel zum Zerstäuben aufweisende Saugrohr stromab der Drosselklappe in den Ansaugstrang integriert ist.
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Selbstverständlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Saugrohr stromauf der Drosselklappe und insbesondere zwischen der Drosselklappte und einem Ladeluftkühler vorzusehen, da in dem Ladeluftkühler regelmäßig die größte Menge an Kondensat anfällt, die dann erfindungsgemäß durch Zerstäuben wieder in den Verbrennungsluftstrom verteilt werden kann. Selbstverständlich können auch mehrere erfindungsgemäße Saugrohre in einen Ansaugstrang einer erfindungsgemäßem Brennkraftmaschine integriert sein.
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Das erfindungsgemäße Saugrohr kann zudem auch mit einem aus dem Stand der Technik bekannten System zur Ableitung von in dem Ladeluftkühler anfallenden Kondensat (vgl. z. B.
DE 102 38 839 A1 ) kombiniert werden. Durch das vorzugsweise stromab der Drosselklappe angeordnete erfindungsgemäße Saugrohr soll dann im Wesentlichen nur noch dasjenige Kondensat wieder in dem Verbrennungsluftstrom verteilt werden, das erst stromab des Ladeluftkühlers anfällt.
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Die Erfindung wird nachfolgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung;
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2: einen Abschnitt des Ansaugstrangs der Brennkraftmaschine gemäß der 1 in einer Explosionsdarstellung; und
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3: ein bei dem Ansaugstrang gemäß den 1 und 2 zum Einsatz kommendes, erfindungsgemäßes Saugrohr in einem Längsschnitt.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die für ein Verständnis der Erfindung relevanten Bestandteile einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Mehrzahl von Zylindern 12 (vorliegend vier), in denen Brennräume ausgebildet sind. In den Brennräumen wird Verbrennungsluft mit direkt eingespritztem Kraftstoff verbrannt. Die Verbrennungsluft wird den Brennräumen der Zylinder 12 über einen Ansaugstrang 14 zugeführt. Dieser umfasst einen Luftfilter 16 sowie einen stromab des Luftfilters 16 angeordneten Verdichter 18. Der Verdichter 18 ist Teil eines Turboladers oder eines Kompressors. In dem Verdichter 18 wird die aus der Umgebung angesaugte Verbrennungsluft verdichtet. Die damit einhergehende Erwärmung der Verbrennungsluft wird durch Kühlung in einem stromab des Verdichters 18 angeordneten Ladeluftkühler 20 (zumindest teilweise) rückgängig gemacht. Die Kühlung der Verbrennungsluft führt zu einer Verringerung der Sättigungskonzentration der Verbrennungsluft und in Folge davon zu einem verstärkten Auskondensieren des in der Verbrennungsluft enthaltenen gasförmigen Wassers und ggf. anderer Flüssigkeiten.
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Auch in dem dem Ladeluftkühler 20 nachfolgenden Abschnitt des Ansaugstrangs 14 erfolgt eine weitere Kühlung der Verbrennungsluft – zumindest in der Nähe der jeweiligen Gehäusewände der Rohrabschnitte des Ansaugstrangs 14. Weiterhin ist die Umströmung einer stromab des Ladeluftkühlers 20 in den Ansaugstrang 14 integrierten Drosselklappe 22 mit einem Druckabfall verbunden. Beides, die Kühlung und der Druckabfall, senken wiederum die Sättigungskonzentration der Verbrennungsluft und sorgen somit für einen zusätzlichen Anfall von Kondensat.
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Das sich in dem Ladeluftkühler 20 sowie in einem dem Ladeluftkühler 20 und der Drosselklappe 22 in Strömungsrichtung nachfolgenden Saugrohr 24 sammelnde Kondensat, das von der Verbrennungsluft in Form von kleinen Tröpfchen mitgerissen wird, wird erfindungsgemäß in dem Saugrohr 24 zerstäubt, um eine möglichst homogene Verteilung des Kondensats über das gesamte Volumen der einzelnen Brennräume der Zylinder 12 zu erreichen. Dadurch sollen negativen Auswirkungen, die eine lokal hohe Kondensatkonzentration auf die Verbrennungsprozesse in den Brennräumen haben kann, vermieden werden.
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Die Zerstäubung des Kondensats wird mittels eines Zerstäuberrings 26 erreicht, der in einen Krümmer des Saugrohrs (Saugrohrkrümmer 28) integriert ist. Der Saugrohrkrümmer 28 verbindet einen Verteiler des Saugrohrs (Saugrohrverteiler 30) mit dem die Drosselklappe 22 umfassenden Abschnitt des Ansaugstrangs 14.
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Der Saugrohrkrümmer 28 ist in der 3 in einem Längsschnitt dargestellt. Der Zerstäuberring 26 ist beispielhaft als separates Bauteil ausgebildet, das mit dem ausgangsseitigen Ende des Saugrohrkrümmers 28 unlösbar oder lösbar verbunden ist. Der Zerstäuberring 26 umfasst einen ringförmigen, sich in das Innenvolumen des Saugrohrkrümmers 28 erstreckenden Fortsatz 40. In diesen Fortsatz 40 sind in der vorliegenden Ausführungsform eine Mehrzahl von Düsenbohrungen 32 eingebracht, die in gleichmäßiger Teilung über dem Umfang des Zerstäuberrings 26 verteilt sind, einen im Wesentlichen identischen Durchmesser(verlauf) aufweisen und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durch das Saugrohr 24 geneigt verlaufen.
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Der Fortsatz 40 umfasst einen ringförmigen, sich in radialer Richtung in das Innenvolumen des Saugrohrkrümmers 28 erstreckenden ersten Abschnitt 34 sowie – daran anschließend – einen ringförmigen, im Wesentlichen parallel zu der Innenseite eines Gehäuses 28 des Saugrohrkrümmers 28 verlaufenden zweiten Abschnitt 36. Die Düsenbohrungen 32 sind in den zweiten Abschnitt 36 integriert.
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Der den Querschnitt des Saugrohrs verkleinernde Fortsatz 40 ist weiterhin in einem Abschnitt bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsluft konisch zulaufend ausgebildet. Dadurch wird eine Einschnürung erzeugt, die den lokalen Querschnitt des Saugrohrs weiter verkleinert. Durch den in das Innenvolumen des Saugrohrs ragenden Fortsatz 40 und dessen Einschnürung wird die Strömung der Verbrennungsluft entsprechend der Funktion eines Venturi-Rohrs beschleunigt und der lokale statische Druck sinkt. Die Düsenbohrungen 32 sind im engsten Querschnitt des Fortsatzes 40 angeordnet, so dass das Kondensat über die Düsenbohrungen an dem Ort mit dem niedrigsten statischen Druck in die Hauptströmung eingebracht wird. Einer Venturi-Düse entsprechend wird das aus den Düsenbohrungen 32 austretende Kondensat bzw. die Mischung aus Kondensat und Verbrennungsluft daher von der Hauptströmung mitgerissen.
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Der Fortsatz 40 des Zerstäuberrings 26 bildet eine bezüglich der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durch den Saugrohrkrümmer 28 wirkende Sackgasse aus, die zum einen als Auffangrinne für das an der Innenseite des Gehäuses 38 des Saugrohrkrümmers 28 anfallende Kondensat wirkt, in dem sich dieses sammeln kann. Zum anderen bewirkt diese Sackgasse die Erzeugung eines lokalen Staudrucks der Verbrennungsluft, die zu einem relativen großen Überdruck in dem von dem Fortsatz 40 ausgebildeten ringförmigen Zwischenraum führt. Dieser relativ große Überdruck in Verbindung mit dem stationären Unterdruck in der Hauptströmung bewirkt einen Druckabfall über den Düsenbohrungen 32, wodurch das Kondensat bzw. die Mischung aus Verbrennungsluft und Kondensat durch diese ausströmt. Dieser relativ große Druckfall über den Düsenbohrungen 32 führt zu einer guten Zerstäubung und Verteilung des von der Verbrennungsluft mitgerissenen Kondensats in dem sich an den Saugrohrkrümmer 28 anschließenden Saugrohrverteiler 30 und – weiter – in dem von dem Saugrohrverteiler 30 mit der Verbrennungsluft versorgten Brennräumen des Verbrennungsmotors 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Ansaugstrang
- 16
- Luftfilter
- 18
- Verdichter
- 20
- Ladeluftkühler
- 22
- Drosselklappe
- 24
- Saugrohr
- 26
- Zerstäuberring
- 28
- Saugrohrkrümmer
- 30
- Saugrohrverteiler
- 32
- Düsenbohrungen
- 34
- erster Abschnitt
- 36
- zweiter Abschnitt
- 38
- Gehäuse
- 40
- Fortsatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10238839 A1 [0006, 0007, 0023]
